跑道調度計劃的算法設計與應用

陸娜

【摘 要】起飛延誤及其帶來的環境影響已成為歐美等國家機場的普遍問題。為減輕機場延誤及擁塞，執行戰術性的計劃和控制，提高地面和終端地區的調度管理效率就成為了一種客觀的解決方案。作為地面運營調度管理的一部分，本文深入研究了跑道運營計劃（ROP）的結構和特征。

【關鍵詞】跑到調度計劃（ROP）分階段；重量類型參數；算法設計

一、引言

無論是在機場之間的空域以及毗鄰地區，還是在機場表面區域，容量—需求之間的矛盾仍然將會影響到航空運輸系統。機場跑道是影響起飛的主要瓶頸，因此，本文將跑道調度管理作為研究的首要問題，以便后續整個地面調度管理問題的展開。本文重點研究 ROP 問題的多目標分階段的算法。該算法能用于實現跑道調度管理計劃，或者說在一系列約束條件下，能生成一系列的飛機起飛、著陸以及穿越跑道序列，使得機場的整體運營性能得到很大的優化。

（一）研究的主要目的

盡管空中交通管制人員在一般情況下能很好的處理大量的空中交通量，但對于機場地面提出先進、優化的管理要求也會使他們束手無策。特別地，空中交通管制人員很難去跟蹤、發現飛機流量管理的約束，而這些條件就是導致了機場地面擁塞和調度的低效（長時間的排隊時延、不必要的跑道空閑時間）。

機場跑道是影響起飛落地的主要瓶頸，因此，本文將跑道調度管理作為研究的首要問題，以便后續整個地面調度管理問題的展開。在一個系統中，僅考慮其中的一個方面得到的結果絕不是優的，只有將起飛、著陸等完全的考慮到機場地面交通控制系統中來，才能使機場管理優化。

（二）研究方法

本文對機場地面調度管理所涉及到的方法，主要由以下幾個部分構成：

● 支持該文的研究理論

本文提出了關于起飛調度系統的概念結構，它能幫助空中交通管制人員很好的管理和規范化機場地面交通。

● 本文中的研究

本文重點研究 ROP 問題的多目標分階段的算法。選擇階段性分解方法是因為 ROP 問題的復雜性使得管制人員很難完全考慮跑道調度管理的所涉及到的各個參數和細節。

（三）研究背景

著陸和起飛是一對緊密聯系的過程，它們共享許多機場及終端空域資源，相互作用復雜。機場的停機位、飛機滑行道以及機場跑道是起飛和著陸的共享的臨界資源，這使得飛機的起飛和著陸相互作用相互影響。

二、分階段的算法設計與ROP問題

在任何一個生產或者是服務的過程中，對資源的分配管理都可以歸結為運營計劃的問題。對于機場地面運營來說，飛機著陸、起飛、滑行穿越等活動將共享著跑道資源。

（一）ROP算法概述

跑道占用時間是用于描述飛機對跑道的使用情況。由于機場容量和跑道的動態配置，導致跑道與跑道之間相互影響。在某個特定的時間段里，飛機占用了一個跑道就可能會導致其他跑道不能使用。ROP 問題分解方案是將優化過程劃分為兩個階段。第一階段的目標為跑道吞吐量的大化，設計參數包括尾流間距和穿越約束。第二階段在第一階段的基礎上，以系統的小延誤時間為目標，其它約束條件如下降流、工作負荷限制、交叉跑道約束等為設計參數。

（二）ROP算法的特點

算法運行第一階段的優化目標是跑道容量，因此，第一階段完成后，管制者制定戰術性跑道運營策略需要考慮的因素就減少了，這樣降低了管制員的工作負荷。并且在分階段的算法過程中，并不妨礙管制者目前常用的排隊策略。下降流的瓶頸導致了這些技術的產生，但其實際應用往往會受到工作負荷的限制。

（三）規劃調度問題（運營計劃問題）

理論：問題的解決受控于一系列系統規則，運營序列和時間，使他們與系統的安全與性能緊密相連。因而優化問題需要：選擇好序列，并且在一系列的約束前提下，進行時間分配以滿足所有系統功能需求。在大多數情況下，功能需求既可以看作是目標，也可以看成是約束條件。因而，設計者需要首先確定這些需求中哪些屬于系統性能，哪些是系統約束。

應用：功能分解與關系分解在跑道運營計劃問題的應用結果，揭示了功能需求與飛機各屬性（設計參數）之間的相互作用關系，提出了如何將優化過程劃分為若干個相對簡化的階段進行求解的思想。

（四）跑道運營調度（ROP）分解算法

在前面提到的功能及關系分解是常用的系統分解技術，需要明確“系統需要做什么”（功能需求）和“系統如何完成功能”（設計參數）兩大問題。從系統角度出發，采用以上兩種技術建立 ROP 問題的功能需求集和設計參數集，使優化結果更能接近 ROP 問題的解決方案。

三、結論與展望

跑道被用來作為一個關鍵的離場流量限制，因此研究工作主要集中于跑道運行規劃。在任何使用中的跑道上的跑道運行（離場，進場和穿越）的順序和時間的優化不能與其余的滑行道路隔開，滑行道是使飛機從停機位離開直到飛機在空中。這時由于不管發生在停機位，在滑行道系統或是在跑道上，機場地面運行本質上以從大量未預見事件的高不可預測性為特征，而這些未預見事件很可能影響機場地面的飛機運動。鑒于上述原因，當優化方法被建議用來解決跑道運行規劃問題時，解決方法只在當此方法被“譯”為停機門退出建議時才有用。排隊調整方法論也被呈現了出來，該方法認為跑道排隊并不是在非所需機場地面出現擁擠時才出現，但是相反，跑道上排隊對于保持跑道壓力是重要的，并且能確保跑道運行近于或是達到吞吐量優值。所以為了考慮到機場運行的不確定性，機場地面排隊必須在將跑道規劃譯為退出規劃時予以考慮。

參考文獻：

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